精准监测破局土壤氮循环难题，赋能气候变化与生态治理

2025-10-30 16:35:38 今日热点网

全球变化背景下，气温升高、降水格局改变、二氧化碳浓度增加以及极端气候事件频发等现象，正在深刻改变着土壤氮循环的路径和速率。例如，增温效应使增强了硝化和反硝化作用，导致氮素气态损失增加；降水则通过影响土壤水分可利用性，调控着硝化与反硝化过程平衡。以此，深入理解土壤氮循环对气候变化的响应和反馈机制，对于预测未来环境变化趋势、制定适应性生态管理策略具有重要意义。面对这一全球性挑战，如何精准监测和评估氮循环过程的变化，已成为科学研究和政策制定亟待解决的重要课题。

一、N₂O——潜伏在田间的“超级温室气体“

土壤氮循环是地球上最重要的生物地球化学循环之一。氮素作为生命体的基本组成元素，参与蛋白质、核酸等关键物质的合成，支撑陆地生态系统的生产力。氮循环确保了生态系统中氮素的有效流动和循环，维持了生物多样性和生态平衡。

在固氮、矿化、硝化、反硝化等这一系列微生物驱动的转化工厂中，氮由大气中的惰性氮气转化为植物可吸收的铵盐和硝酸盐，最终又返回大气。然而，该过程也伴生显著的温室气体排放，尤其是一氧化二氮（N₂O），其全球增温潜势是二氧化碳的298倍，在大气中可存留114年之久，是对气候变化影响最为严重的温室气体之一。除此之外，二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氨气（NH₃）也在这一过程中不同程度地产生和消耗。

二、监测困境：捕捉“脉冲式排放”的技术难题

长期以来，土壤氮循环相关温室气体的监测依赖于传统的“静态箱-气相色谱法”，科研人员需要频繁到野外采样，再将样品带回实验室分析。这种传统方法存在明显局限：

人力成本高：野外采样需频繁往返，且受地形、气候影响大，耗费大量时间与人力；

时间分辨率低：依赖定点、定时采样，无法实现连续监测，难以捕捉气体排放的瞬时变化；

应对“脉冲式”排放能力不足：研究表明，N₂O排放具有典型的“脉冲式”特征——农田施肥后若遇降雨或灌溉，短短几小时内的排放量可能占全年总排放量的50%以上。这种突发性、高波动的排放模式，让传统离散采样方法难以精准捕捉，导致监测数据无法完整反映氮循环的真实动态。

三、技术革新：量子级监测破解“微观密码”

随着量子技术的突破，土壤氮循环监测迎来了“精度革命”。依托多年在量子级激光光谱（QCL）技术领域的技术积累，海尔欣光电科技有限公司成功研发出高精度温室气体分析仪，实现了对土壤氮循环相关温室气体的高频、连续、原位监测。该技术的优势主要体现在三方面：

无需离线采样：设备可直接部署在野外监测点，实时采集土壤释放的气体，避免了样品运输过程中的误差；

高时间分辨率：能够以毫秒级的频率记录气体浓度变化，完整捕捉“脉冲式”排放等瞬时动态；

长期稳定监测：支持长时间连续运行与数据自动回传，为科研人员提供完整的氮循环过程数据，助力深入分析温室气体产生的机制与驱动因素（如土壤温度、湿度、氮含量变化对排放的影响）。

四、多气体协同监测：解锁碳-氮-水耦合“谜题”

现代环境科学研究越来越清晰地认识到，地球上的生物地球化学循环不是孤立进行的。碳、氮、水循环相互关联、相互影响，形成一个复杂的耦合系统。

要解开这一耦合系统的“运行谜题”，关键在于实现多气体与多环境因子的同步监测：一方面同步监测CO₂、CH₄、N₂O等多种温室气体的通量变化，另一方面实时记录土壤温度、湿度、氮含量等关键环境因子的动态数据。通过这种综合监测方法，科研人员能够系统解答一系列核心科学问题：农田、森林、湿地、草原等不同生态系统的氮循环特征存在何种差异？气候变化如何通过影响水热条件改变氮循环速率？施肥量调整、灌溉方式优化等管理措施能否有效调控温室气体排放？这些答案，正是制定差异化生态管理策略的科学依据。